[发明专利]气体轴承主轴以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件

说明书

技术领域

本发明涉及气体轴承主轴（spindle）以及用于气体轴承主轴的气体轴承组件。

背景技术

人们对于适用于高速钻削（drilling）应用例如PCB（印刷电路板）钻削中的气体轴承主轴尤其感兴趣。在PCB钻削机器中，期望有一种能够钻削大范围的不同直径的孔并且相应地以大范围的不同速度钻削孔的机器。因而，例如期望提供如下一种机器，该机器例如在标定的一个界限能够以比如15,000-20,000rpm的速度钻削6.3mm直径的孔，在标定的另一界限仍能够以比如200,000rpm或者300,000rpm的速度钻削比如0.1mm至0.2mm直径的孔。此外，需要以高精确性来钻削所述孔，一般来说要求在印刷电路板中提供高质量的孔。

当以几乎最大速度（如果并非全速）钻削时，设备中的径向和/或轴向振动常常会趋于降低被钻削的孔的质量。提供阻尼以抑制所述振动可显著有助于减少所述问题。

此外，通过抑制轴承气体膜内的半速旋转的开始，这种阻尼可允许轴实现显著更大的最高速度。（半速旋转是超临界空气静力轴承系统中所发生的一种很容易理解的共振状况，由于气体膜的不稳定性质，半速旋转的开始通常造成主轴故障。这发生在近似两倍的轴承气体膜临界速度时。）

一种用于提供阻尼的现有方法是将主轴的轴承安装在弹性体O形环上。在这种情况下，原则上，允许轴承随着轴在设定约束内运动而在O形环上径向和轴向地移动。因而，通过O形环材料的连续变形可吸收在钻削工艺期间所形成的振动能量，这给予轴很好的阻尼。然而，将该技术应用至PCB主轴的缺点是，在钻削非常小的孔所要求的高速时，由于气体膜剪切应力，在轴承内侧生成了相当多的热。克服该问题的一种方法是提供冷却（例如，水冷却），从而阻止过热并且控制空气膜空隙的热膨胀。

然而，这并非毫无困难，因为需要将冷却提供至正确的地方，并且需要保持阻尼效果。

发明内容

申请人研发了一种主轴来提供所述功能中的至少一些，在所述主轴中，内部轴承部分相对于罩部分被支撑在O形环中，并且实际上内部轴承部分具有内部冷却剂通道。这借助于内部轴承部分来实现，所述内部轴承部分具有一个中间部分和一个内部壳轴承部分以及所述中间部分和内部壳轴承部分之间的一个冷却剂通道。在图2中示出了这样的主轴，且在下面对所述主轴进一步更加详细地描述。

然而在一些情况中，该设计存在一个问题：在极值负载或故障模式下，内部轴承部分可相对于罩部分旋转，这转而可破坏冷却剂馈入路径和/或气体馈入路径的整体性，并且造成轴承主轴中的灾难性的故障。

本发明旨在提供一种如下的装置，在所述装置中，可防止主轴故障，并且可提供冷却，同时并不消除主轴内期望的阻尼。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于气体轴承主轴的气体轴承组件，所述组件包括一个罩部分和一个内部径向轴承部分，所述内部径向轴承部分被布置在所述罩部分内且相对于所述罩部分弹性地安装，所述内部径向轴承部分包括一个内部壳轴承部分和一个中间套筒部分，所述内部壳轴承部分具有一个轴承面，所述中间套筒部分被布置在所述内部壳轴承部分和所述罩部分之间，在所述内部壳轴承部分和所述中间套筒部分之间设置有液态冷却剂通道；

所述组件还包括一个防转动塞，所述防转动塞被接收在所述罩部分和内部轴承部分之间，从而联接所述罩部分和所述内部轴承部分以抵制相对转动；并且可选地，在所述罩部分和所述内部轴承部分中的至少一个和所述塞之间设置了一个弹性构件，使得在所述罩部分和所述内部轴承部分之间的由所述塞形成的联接中存在弹性。

所述配置可有助于阻止所述轴承零件之间的不期望的转动，且不损坏所述罩部分和所述内部径向轴承部分之间的弹性安装的有效性。在至少一些情况中，可维持弹性安装的有效性，且无需在所述塞和罩部分/内部轴承部分之间提供弹性构件。

设置在所述罩部分和所述内部轴承部分中的至少一个和所述塞之间的所述弹性构件可包括一个O形环，所述O形环被承载在所述塞上。

所述O形环可用作一个密封件。该密封件可以用于密封防止提供在所述轴承组件中的气体和/或冷却剂的泄漏。

所述塞可在径向方向上从所述罩部分延伸到所述内部轴承部分中。所述塞可在轴向方向上从所述罩部分延伸至所述内部轴承部分中。